Thermodynamische Grenzen brechen: Die Zukunft der Zeitmessung

Eine neue Studie zeigt, dass die Genauigkeit quantenmechanischer Effekte¹ besser ist als erwartet. Diese Studie erscheint, während Forscher der TU Wien und Kooperationspartner die Quantenmetrologie für die Atomuhr nutzen.

Eine Atomuhr nutzt die quantenmechanischen Eigenschaften von Atomen, um die Zeit weitaus genauer zu messen als herkömmliche Uhren. Diese präzisesten Zeitmesser der Welt sind für ihre beispiellose Genauigkeit bekannt, indem sie Laser einsetzen, um die Schwingungen der Atome zu messen, die mit einer konstanten Frequenz oszillieren.

Doch bei den grundlegenden Gesetzen der Quantenphysik gibt es stets eine gewisse Unsicherheit, sodass ein gewisser statistischer Rauschpegel zu erwarten und zu akzeptieren ist. Dieses Rauschen oder diese Zufälligkeit setzt eine Grenze für die erreichte Genauigkeit.

Daher könnten Atomuhr noch präziser sein, und wenn sie atomare Schwingungen genauer messen können, wären sie empfindlich genug, um Phänomene wie dunkle Materie zu identifizieren und Fragen zu beantworten, welchen Einfluss die Gravitation auf den Zeitverlauf haben könnte.

Interessanterweise wird angenommen, dass eine Atomuhr mehr Energie benötigt, um höhere Genauigkeit zu erreichen.

Im Jahr 2021 berichtete ein Experiment² über eine Grenze der Genauigkeit von Uhren, wobei die Natur einen fundamentalen Energieaufwand für die Zeitmessung auferlegt. Laut der Forschung verbrauchen Uhren, die die Zeit genauer messen, mehr Energie als ihre weniger genauen Gegenstücke.

Ein Grundprinzip der Thermodynamik besagt, dass Energie stets von heißen zu kalten Objekten fließt; diese Richtung umzukehren (wie in einem Kühlschrank) bedeutet, dass wir den Aufwand an anderer Stelle bezahlen müssen.

Daher schien die Regel, dass eine Uhr mindestens doppelt so viel Energie benötigt, um doppelt so genau zu sein, ein unveränderliches Gesetz zu sein – bis jetzt.

Ein Team von Wissenschaftlern der TU Wien, der Universität Malta und der Chalmers University of Technology hat gezeigt, dass wir durch spezielle Tricks die Genauigkeit exponentiell steigern können.

Der entscheidende Punkt ist die Verwendung zweier verschiedener Zeitskalen, ähnlich wie bei einer herkömmlichen Uhr ein Minuten- und ein Sekundenzeiger vorhanden sind.

Wie die Quantenphysik die Entropiekosten der Zeit neu definiert

Physikalische Geräte, die außerhalb des Gleichgewichts arbeiten, werden von thermischen Fluktuationen (zufällige Abweichungen eines Systems von seinem Mittelwert) beeinflusst, die die Genauigkeit ihres Betriebs begrenzen. Dieses Problem ist besonders auf winzigen und quantenmechanischen Skalen ausgeprägt, wo wir Entropiedissipation benötigen, um es zu mildern.

Im Falle von Uhren ist ein thermodynamischer Fluss zum Gleichgewicht erforderlich, um die Zeit zu messen, was zu einer minimalen Entropiedissipation pro Tick führt.

Obwohl sowohl klassische als auch Quantenmodelle tendenziell eine lineare Beziehung zwischen Präzision und Dissipation zeigen, ist das Verhältnis noch nicht eindeutig.

Im Streben nach den genauesten atomaren Uhren, die künftig möglicherweise auf Kernenergie umsteigen könnten, sind diese Kosten nicht das drängendste Problem, doch für kleine, eigenständige Quantensteuerungen ist das genaue Verhältnis zwischen Dissipation und Präzision ein praktisches Anliegen.

Vor diesem Hintergrund haben die Forscher nun ein autonomes Quanten-Uhrenmodell vorgestellt, das eine Genauigkeit erreicht, die exponentiell mit der Entropiedissipation skaliert.

Dieser Fortschritt wird durch kohärenten Transport in einer Spin-Kette mit maßgeschneiderten Kopplungen ermöglicht, wobei die Entropiedissipation auf einen einzigen Link beschränkt ist, so die Studie. Die Ergebnisse zeigen, dass kohärente Quantendynamik die Präzisionsgrenzen der traditionellen Thermodynamik überschreiten kann und möglicherweise die Entwicklung zukünftiger, niederenergetischer, hochpräziser Quantenbauteile unterstützt.

„Wir haben prinzipiell analysiert, welche Uhren theoretisch möglich sein könnten.“

– Professor Marcus Huber vom Atomic Institute der TU Wien

Er erklärte, dass eine Uhr aus zwei Komponenten besteht. Die erste ist ein zeitbasierter Generator, wie eine Quantenoszillation oder ein Pendel. Die zweite ist ein Zähler, ein Element, das die Zeiteinheiten, definiert durch den Zeitbasisgenerator, die vergangen sind, zählt.

Der Zeitbasisgenerator kehrt stets exakt in denselben Zustand zurück, bzw. das Pendel befindet sich genau dort, wo es vor Abschluss einer Schwingung war.

Währenddessen kehrt in einer Atomuhr das Cäsiumatom nach einer bestimmten Anzahl von Schwingungen in exakt denselben Zustand zurück, in dem es zuvor war. Der Zähler muss jedoch geändert werden, damit die Uhr nutzbar ist.

„Das bedeutet, dass jede Uhr mit einem irreversiblen Prozess verbunden sein muss. In der Sprache der Thermodynamik bedeutet das, dass jede Uhr die Entropie im Universum erhöht; andernfalls ist sie keine Uhr.“

– Florian Meier von der TU Wien

In einer Pendeluhr erzeugt das Pendel etwas Wärme und Unordnung unter den Luftmolekülen in seiner Umgebung. Im Fall einer Atomuhr erzeugt jeder Laserstrahl, der den Zustand der Uhr ausliest, Wärme sowie Strahlung und damit Entropie. Laut Marcus Huber:

„Wir können nun überlegen, wie viel Entropie eine hypothetische Uhr mit extrem hoher Präzision erzeugen müsste – und dementsprechend, wie viel Energie eine solche Uhr benötigen würde. Bisher schien es eine lineare Beziehung zu geben: Wenn man tausendmal mehr Präzision will, muss man mindestens tausendmal mehr Entropie erzeugen und tausendmal mehr Energie aufwenden.“

Doch das Team der TU Wien, in Zusammenarbeit mit Forschern der Universität Malta, der Chalmers University of Technology und der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW), hat nun gezeigt, dass diese sogenannte Regel durch die Verwendung zweier verschiedener Zeitskalen umgangen werden kann.

Zum Beispiel, wie Meier erklärte, können Teilchen, die von einem Bereich in einen anderen wandern, zur Zeitmessung verwendet werden, ähnlich wie Sandkörner, die vom oberen Rand des Glases nach unten fallen.

Eine Reihe solcher Zeitmessgeräte kann in Serie geschaltet werden, und man kann zählen, wie viele bereits durchgelaufen sind. Das wäre vergleichbar damit, wie der größere Zeiger die Anzahl der Umdrehungen zählt, die der kleinere Zeiger bereits vollendet hat.

„Auf diese Weise kann man die Genauigkeit erhöhen, jedoch nicht ohne mehr Energie zu investieren“, sagte Marcus Huber. „Denn jedes Mal, wenn ein Zeiger eine vollständige Umdrehung vollendet und der andere Zeiger an einer neuen Position gemessen wird – man könnte auch sagen, jedes Mal, wenn die Umgebung bemerkt, dass dieser Zeiger an einen neuen Ort bewegt wurde – steigt die Entropie. Dieser Zählvorgang ist irreversibel.“

Eine weitere Art des Teilchentransports, die durch die Quantenphysik ermöglicht wird, ist das Durchqueren der gesamten Struktur. Hier reisen Teilchen über das Zifferblatt der Uhr, ohne gemessen zu werden.

Während dieses Prozesses ist das Teilchen gewissermaßen überall, ohne klar definierten Ort, bis es schließlich ankommt. Dann wird das Teilchen gemessen, in einem Vorgang, der irreversibel ist und die Entropie erhöht.

Das Team hat also zwei Prozesse: einen schnellen, der keine Entropie oder Quanten-Transport erzeugt, und einen anderen, bei dem die Teilchen am Ende ankommen.

„Das Wesentliche an unserer Methode ist, dass ein Zeiger rein nach den Gesetzen der Quantenphysik funktioniert, während nur der andere, langsamere Zeiger tatsächlich einen entropieerzeugenden Effekt hat.“

– Yuri Minoguchi von der TU Wien

Das Team hat gezeigt, dass die Strategie bei jeder Zunahme der Entropie zu einer signifikanten Präzisionssteigerung führt, sodass eine höhere Präzision als bisher angenommen erreicht werden kann.

„Außerdem könnte die Theorie in der realen Welt mit supraleitenden Schaltkreisen getestet werden, einer der fortschrittlichsten derzeit verfügbaren Quantentechnologien.“

– Mitautorin der Studie Simone Gasparinetti, die das experimentelle Team an der Chalmers leitet

Huber bezeichnete dies als entscheidendes Ergebnis für die Forschung an hochpräzisen Quantenmessungen sowie zur Unterdrückung unerwünschter Schwankungen. Darüber hinaus, so Huber, „hilft uns die Forschung, eines der großen Rätsel der Physik besser zu verstehen: die Verbindung zwischen Quantenphysik und Thermodynamik.“

Klicken Sie hier, um zu erfahren, wie Thorium ultra-präzise Kernuhren antreibt.

Die zukünftigen Auswirkungen der quantenbasierten Zeitmessung auf die Menschheit

Eine der wertvollsten Ressourcen für uns Menschen ist die Zeit, die begrenzt und unumkehrbar ist. Zeit ist grundlegend für unser Dasein und unseren Fortschritt.

Um unsere Zeit zu verfolgen, entwickelten Menschen Kalender, und als Gesellschaften komplexer und technologischer wurden, wurde eine präzise Zeitmessung immer wichtiger.

Zeitmessung benötigt etwas, das mit einem gleichmäßigen Schlag oszilliert, und ein weiteres Element, das diese Schläge zählt und die Zeit anzeigt.

Dies führte zur Entwicklung von Uhren, die im Laufe der Zeit mit Pendeln und Quarz-Oszillatoren immer ausgefeilter wurden.

Von Armbanduhren bis zu Uhren auf Satelliten verwenden die meisten modernen Uhren weiterhin einen Quarzkristalloszillator zur Zeitmessung. Wird eine Spannung an den Oszillator angelegt, schwingt er mit einer präzisen Frequenz, die wie das Pendel einer Pendeluhr die vergangene Zeit abtastet.

Das Problem war jedoch, dass keine zwei Uhren identisch waren. Und da die Welt immer stärker vernetzt wurde, bestand ein Bedarf an einer konsistenten und genauen Zeitmessung. Eine Atomuhr war die natürliche Lösung.

Der Traum von der Atomuhr begann tatsächlich vor mehr als einem Jahrhundert, als die Wissenschaftler James Maxwell und William Thompson die Idee vorschlugen.

Atome sind die Grundbausteine aller Materie. Im Kern der Atome befindet sich das Atomkern, bestehend aus Protonen und Neutronen, umgeben von Elektronen, deren Anzahl variieren kann. Elektronen sind in unterschiedlichen Energieniveaus angeordnet und bewegen sich in kreisförmigen Bahnen um den Kern.

Da Atome Lichtwellen bestimmter Frequenzen absorbieren und emittieren, schlossen Wissenschaftler, dass Atome eines bestimmten Elements identisch und unveränderlich sind, sodass die Frequenzen des absorbierten und emittierten Lichts ebenfalls konstant sein sollten.

Obwohl die Idee bereits im späten 19. Jahrhundert entstand, wurde erst viel später tatsächlich eine Atomuhr entwickelt.

Wie es der Zufall will, dient Krieg oft als starker Katalysator für wissenschaftliche und technologische Fortschritte. Der Krieg führte zu Erfindungen wie dem Mikrowellenherd, GPS, Computern und mehr, die heute tiefgreifende Auswirkungen auf unser tägliches Leben haben.

Die Atomuhr entstand ebenfalls zu dieser Zeit. 1939 schlug der Physiker Isidor Rabi vor, dass Wissenschaftler des National Institute of Standards and Technology (NIST) (damals National Bureau of Standards (NBS)) die neu entwickelte Molekülstrahl-Magnetresonanztechnik nutzen, die präzise Messungen der Kernmagnetmomente als Zeitstandard ermöglichte.

Er maß dann die Frequenz, bei der Cäsiumatome natürlich Mikrowellen absorbieren und emittieren, etwa 9,1914 Milliarden Zyklen pro Sekunde, und sprach Jahre später darüber, was von der NYT als „kosmisches Pendel“ beschrieben wurde, das in die „Funkfrequenzen im Herzen der Atome“ eingreift.

Eine auf Ammoniak basierende Uhr wurde 1949 demonstriert, jedoch letztlich nicht genauer als die bestehenden.

Im Laufe der Zeit führten neue technologische Innovationen wie optisches Pumpen, das wesentlich stärkere Magnetresonanz- und Mikrowellenabsorptionssignale erzeugte, und Ramsey-Interferometrie, die für die Molekülstrahl-Spektroskopie entwickelt wurde, zu Fortschritten im Feld und veranlassten weitere Wissenschaftsgruppen, sich damit zu befassen.

Bis 1975 war die Atomuhr des NIST so genau, dass sie in 400.000 Jahren weder eine Sekunde gewann noch verlor, und 1993 wurde ihre Atomuhr noch genauer, ohne in 6 Millionen Jahren eine Sekunde zu gewinnen oder zu verlieren.

2019 entwickelte die NASA die Deep Space Atomic Clock, um die Navigation von Raumfahrzeugen zu fernen Zielen wie anderen Planeten autonomer zu gestalten. Diese Uhr weicht nach vier Tagen um weniger als eine Nanosekunde und nach einem Jahrzehnt um weniger als eine Mikrosekunde ab, was einem Fehler von nur einer Sekunde alle 10 Millionen Jahre entspricht.

Die Atomuhr der NASA war etwa 50 mal stabiler als ihre Gegenstücke auf GPS‑Satelliten, und dies wurde mit Hilfe von Quecksilberatomen erreicht.

Der „präzise und stabile Wert“ der Energiedifferenz zwischen den Bahnen „ist wirklich die Schlüsselkomponente für Atomuhr“, sagte Eric Burt, ein Atomuhr‑Physiker am Jet Propulsion Laboratory (JPL) zu jener Zeit. „Das ist der Grund, warum Atomuhr ein Leistungsniveau erreichen kann, das über mechanischen Uhren liegt.“

Die Art der präzisen Zeitmessung, die Atomuhr liefert, ist für den Alltag nicht erforderlich, hat jedoch tiefgreifende Auswirkungen auf viele andere Branchen. Atomuhr hat tatsächlich Fortschritte in der Metrologie, Kommunikation, fortschrittlichen Navigationssystemen und satellitenbasierter Positionsbestimmung ermöglicht.

Jetzt zielt das durch die neuesten Forschungen gewonnene Wissen darauf ab, zahlreiche weitere Fortschritte zu fördern. Es wird erwartet, dass es in vielen Sektoren, einschließlich künstlicher Intelligenz (KI), Robotik und anderen aufstrebenden Bereichen, äußerst vorteilhaft ist.

Beispielsweise können Quantenuhren, indem sie fortschrittliche Gravitationswellendetektoren und Klimasatelliten antreiben, die Erkennung subtiler Signale des Erdsystems verbessern. Sie bieten zudem präzisere Zeitreferenzen, die neue Messniveaus für den Meeresspiegelanstieg, tektonische Verschiebungen und Untergrundkartierung ermöglichen.

In der KI-Welt können Modelle, die Daten mit verteilten Sensoren für intelligente Fabriken, Präzisionslandwirtschaft oder Finanzhandel kombinieren, von genauen Atomuhren profitieren. Sie können auch bei quantenverstärkter KI-Hardware helfen, bei der quantenbasierte Zeitmessung fehleranfällige Quantenprozessoren für maschinelles Lernen stabilisiert. Zuverlässige Qubit‑Steuerung hängt schließlich von präzisem Timing und Phasenkohärenz ab.

Von autonomen Fahrzeugen über Drohnen bis hin zu Robotern – sie alle verlassen sich auf GPS‑Navigation und lokale Uhren. Hochpräzise Quantenuhren können hier die Navigation ohne GPS ermöglichen. Sie können zudem Roboterschwärme dabei unterstützen, sich für komplexe Aufgaben wie verteilte Kartierung und Suche‑und‑Rettung besser zu koordinieren.

Kommunikation ist ein weiteres Feld, das stark von diesen Uhren in Bezug auf Reichweite und Stabilität profitieren kann. Zukünftige drahtlose und photonische Netze werden ebenfalls profitieren, da sie ultra‑präzises Timing für latenzarme Edge‑Computing‑Anwendungen und Geräte‑Handovers benötigen.

Investitionen in die Branche für fortschrittliche Messtechnik

Honeywell International (HON ) ist ein führendes Unternehmen im Bereich fortschrittlicher Messsysteme, einschließlich hochpräziser Zeitmessgeräte, Atomuhrtechnologien für Luft- und Raumfahrt sowie Verteidigung, und sogar Quantencomputing über Quantinuum, das durch die Fusion von Cambridge Quantum und Honeywell entstanden ist.

Das Unternehmen operiert hauptsächlich über:

Luft- und Raumfahrttechnologien

• Liefert Produkte, Software und Dienstleistungen für Flugzeuge.
• Bedient Gerätehersteller, Lufttransport und Luftfahrtsektoren.

Industrielle Automatisierung

• Bietet Automatisierungslösungen für intelligente, nachhaltige und sichere Abläufe.
• Zielt auf Branchen wie Petrochemie und Life Sciences ab.

Gebäudeautomation

• Stellt Lösungen bereit, um sichere und nachhaltige Einrichtungen zu gewährleisten.

Energie- und Nachhaltigkeitslösungen

• Bietet Lizenzierungsfähigkeiten, die mit Materialwissenschaft und Chemie integriert sind.

Honeywell International (HON )

Honeywell hat eine Marktkapitalisierung von 154,5 Milliarden $, wobei die Aktien derzeit bei frischen Höchstständen von 241 $ gehandelt werden, ein Anstieg von 6,4 % im Jahresverlauf. Das Unternehmen weist ein EPS (TTM) von 8,70 und ein KGV (TTM) von 27,62 auf, während die Dividendenrendite 1,88 % beträgt.

Für das 1. Quartal 2025 meldete das Unternehmen einen Umsatz von 9,8 Milliarden $ und einen Gewinn pro Aktie von 2,22 $. In diesem Zeitraum nutzte Honeywell 2,9 Milliarden $ für Aktienrückkäufe, Dividenden und Investitionsausgaben.

„Honeywell begann das Jahr außergewöhnlich gut und übertraf die Vorgaben in allen Kennzahlen, angetrieben von solidem organischem Wachstum. Zum dritten Quartal in Folge erzielten wir sowohl sequenzielle als auch jährliche Auftragsbestandsteigerungen, getrieben von gesunden Auftragsraten und anhaltender Kundennachfrage nach unseren differenzierten Angeboten.“

– CEO Vimal Kapur

Fazit

Quantenverbesserte Zeitmessung zeigt, dass mit fortlaufenden Experimenten selbst die grundlegendsten Grenzen der Physik neu überdacht werden können. Mit den neuesten Forschungen, während unser Verständnis der Quanten‑Thermodynamik fortschreitet, wird auch unsere Fähigkeit, die Zeit mit großer Präzision zu messen, zunehmen. 

Durch die Kombination cleverer Architekturen und tiefgreifenden Wissens über Entropie stellen Forscher alte Annahmen über Energie- und Entropiekosten in Frage und ebnen den Weg für eine neue Ära hyperpräziser Systeme mit weitreichenden Auswirkungen auf Technologie, Infrastruktur, Wissenschaft und das Universum.

Studien zitiert:

1. Meier, F.; Minoguchi, Y.; Sundelin, S.; Bernhardt, N.; Särkkä, J.; Bohrdt, A.; Gring, M.; Demler, E.; Schmiedmayer, J. Präzision ist nicht durch den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik begrenzt. Nat. Phys. 2025, Advance online publication. https://doi.org/10.1038/s41567-025-02929-2
2. Pearson, A. N.; Guryanova, Y.; Erker, P.; Laird, E. A.; Briggs, G. A. D.; Huber, M.; Ares, N. Messung der thermodynamischen Kosten der Zeitmessung. Phys. Rev. X 2021, 11 (2), 021029. https://doi.org/10.1103/PhysRevX.11.021029